Новый метод ИИ выявил контроль вирусов над внутриклеточными изменениями
Исследователи из Northwestern Medicine с помощью метода классификации клеток на основе искусственного интеллекта (ИИ) обнаружили, что вирусы могут контролировать структурную и генетическую полярность внутри клеточного ядра. Результаты, опубликованные в Nature, подчеркивают важность организации генома во время инфекции и потенциал ИИ в выявлении сложных внутриклеточных процессов.
Вирусы контролируют клетки разными способами, но то, как и почему ядро перемещается и реорганизуется, оставалось предметом изучения. Основная сложность — значительная гетерогенность процессов в каждой отдельной клетке культуры.
«Во время инфекции могут быть незараженные клетки, а в зараженных — разные стадии инфекции. Стандартные методы, например, блоттинг, дают лишь "усредненную" картину», — пояснил старший автор исследования Дерек Уолш.
Ручной анализ изображений отдельных клеток требует обработки огромного их количества и подвержен ошибкам и субъективности.
Чтобы решить эту проблему, команда под руководством Дина Проктера разработала автоматизированную систему визуализации клеток, использующую сверточные нейронные сети для идентификации и анализа зараженных клеток.
Исследователи обучили систему на больших наборах данных распознавать зараженные клетки и стадии инфекции. После обучения запрограммированный микроскоп сканировал культуры клеток, а система сортировала и классифицировала их.
Система могла измерять заданные параметры, например, яркость и локализацию белков в ядре, и создавать «линейные сканы» интенсивности или «усредненные проекции» всей указанной области клетки.
«В результате, анализируя тысячи клеток, вы получаете независимый от пользователя и полностью объективный "пространственный вестерн-блот" для зараженных клеток», — сказал Уолш.
С помощью системы учёные выявили обширный регуляторный путь в зараженных клетках. Этот путь формирует прочные ацетилированные микротрубочки в цитоплазме, которые прикрепляются к ядерной мембране и внутриядерным белкам, чтобы контролировать актиновые филаменты. Это, в свою очередь, реорганизует ядро изнутри, контролируя его структурную и генетическую полярность.
«Удивительно, что вирус может формировать микротрубочки в цитоплазме, которые буквально захватывают поверхность ядра и реорганизуют его изнутри по принципу "извне-вовнутрь". Также неожиданным было открытие участия ядерных актиновых филаментов», — отметил Уолш.
Эти результаты могут улучшить понимание фундаментальных механизмов организации генома в зараженных клетках. «Мы надеемся, что, предоставив относительно объективное "нейросетевое определение" стадий репликации цитомегаловируса человека, мы сможем создать общедоступный стандарт», — добавил Проктер.